《Environmental Technology & Innovation》：Impact of Moisture Regulation Methods on the Fish Manure Composting Process and Gas Emissions
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本研究针对工业循环水养殖系统(IRAS)鱼粪堆肥过程中水分调控难题，系统比较了不同补水方式（自来水、堆肥渗滤液、水热液）与水热炭的协同效应。研究发现“堆肥渗滤液+水热炭”(T6)组合能显著延长高温期至12天，提升腐殖化程度(HA/FA=3.34)，并将种子发芽指数提高至87.72%，同时有效抑制N2O、CH4和NH3排放。该研究为IRAS鱼粪资源化提供了高效环保的水分调控技术方案。
随着循环水养殖技术的快速发展，工业循环水养殖系统(IRAS)因其高密度、节水和可控性强等优势，成为现代水产养殖的重要方向。然而，IRAS在高效生产的同时，也产生了大量特性独特的鱼粪废弃物。这些鱼粪具有颗粒细小、易分散、碳氮比(C/N)低（通常仅为8:1至10:1）等特点，使得其处理与资源化利用面临巨大挑战。若处理不当，不仅造成资源浪费，还可能带来环境污染风险。
好氧堆肥技术能将有机废弃物转化为稳定的腐殖质，是实现鱼粪资源化的理想途径之一。在堆肥过程中，水分含量是影响微生物活性、反应进程和最终产品质量的关键因素。一般认为，50%-60%的含水量最有利于堆肥进行。然而，如何在实际操作中精准、高效地维持这一水分范围，同时兼顾养分保留和污染气体减排，一直是该领域的难点。传统的补水方式（如添加自来水）效果有限，而堆肥自身产生的渗滤液富含养分和微生物，直接回用虽能减少养分流失，但可能加剧温室气体排放。另一方面，水热炭作为一种新兴的调理剂，以其制备条件温和、成本较低且具备发达孔隙结构和丰富表面官能团而受到关注，但其在堆肥水分调控中的应用潜力尚待挖掘。
为了解决上述问题，来自重庆市农业科学院的研究团队在《Environmental Technology》上发表了研究成果，系统探究了七种不同的水分调控策略对IRAS鱼粪堆肥过程、产物品质及气体排放的影响，旨在找到一种既能优化堆肥条件又能最大限度减少环境影响的理想方法。
为了开展这项研究，研究人员设计了一套严谨的实验方案。他们以IRAS系统中的鲈鱼养殖粪便为主要原料，通过前期开发的“竖流沉淀池”和“高压气体喷射定量喷雾浓缩器”组合工艺将其浓缩后使用。研究设立了七个处理组进行对比：不补水(T1)、补自来水(T2)、补堆肥渗滤液(T3)、补水热液(T4)，以及这三个补水方式分别与水热炭联用(T5: 自来水+水热炭；T6: 堆肥渗滤液+水热炭；T7: 水热液+水热炭)。每个处理设置三个重复。堆肥在特制的30升八角形不锈钢旋转式堆肥箱中进行，采用连续曝气。水热炭的添加量为堆肥总质量的5%。在整个为期16天的堆肥周期内，研究人员密切监测了堆体温度、pH值、水分含量及形态变化、种子发芽指数(GI)以及N2O、CH4和NH3的排放动态。同时，他们还利用高通量测序和宏基因组学技术，深入分析了堆肥过程中微生物群落结构的演替及其功能基因的变化，从而从微观机制上解释宏观现象。
温度和pH变化
研究发现，不同的水分调控方式显著影响了堆肥的温度进程。T6处理（堆肥渗滤液+水热炭）表现最为突出，其堆肥高温期（>50°C）持续了12天，其中高于55°C的时间达8天，远超其他处理，这有利于病原微生物的灭活。添加水热炭的处理组（T5-T7）其最高温度均高于相应未添加炭的处理，表明水热炭为微生物提供了更佳的附着位点，增强了微生物活性。在pH变化方面，所有处理组的pH值在堆肥过程中均呈现先升后降的趋势。添加水热炭的处理在堆肥初期出现了短暂的pH下降，这可能是由于水热炭在一定程度上抑制了有机酸的分解。
水分含量和水分形态
堆肥体的水分稳定性对于微生物活动至关重要。结果显示，未添加水热炭的处理组（T1-T4）水分流失较快，需要频繁补水。而添加水热炭的处理组（T5-T7）水分变化率显著降低，尤其是T6处理，其水分保持最为稳定。通过对水分形态（多层水MMLW、毛细管水CW、 entrapped water EW）的分析发现，水热炭的添加有效延缓了毛细管水向更易蒸发的entrapped water的转化，从而增强了堆体的持水能力。T6处理在堆肥末期保留了最高比例的毛细管水，证明了其最优的水分调控效果。
种子发芽指数与堆肥腐熟度
种子发芽指数(GI)是评价堆肥产品植物毒性的重要指标。堆肥结束后，T1处理的GI仅为59.3%，未达到中国有机肥标准(NY/T 525-2021)要求的70%以上，而其他处理均达标，其中T6处理的GI最高，达到87.72%，表明其产品最安全。在堆肥腐熟度参数方面，T6处理的胡敏酸(HA)含量最高（7.96%），胡敏酸与富里酸(FA)的比值(HA/FA)也最高（3.34），远高于表征腐熟的临界值1.6，说明T6处理促进了有机质向更稳定、更复杂的腐殖质转化，堆肥产品成熟度最好。
主要气体排放
在气体排放方面，研究结果揭示了重要的环境效益。单一的堆肥渗滤液回用(T3)虽然延长了高温期，但导致了最高的N2O（累计138.04 mg/kg·DM）和NH3（累计8.55 g/kg·DM）排放，这与其引入高浓度NH4+-N和NO2--N，以及可能造成的局部厌氧环境有关。而T6处理（渗滤液+水热炭）则表现出卓越的减排效果，其N2O、CH4和NH3的累计排放量分别降至34.62 mg/kg·DM、64.47 mg/kg·DM和2.16 g/kg·DM，综合温室效应（以CO2当量计）最低。这表明水热炭通过吸附氮素、调节堆体孔隙结构和氧气分布，有效抑制了污染气体的产生。
微生物群落结构与功能基因分析
微生物分析从更深层次解释了T6处理优势的内在机制。在微生物多样性方面，T6处理在整个堆肥过程中保持了最高的细菌丰富度和多样性。在门水平上，放线菌门(Actinobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)是优势菌门，它们在T6处理中的累积相对丰度最高（87.6%），这两类细菌在降解木质纤维素和产生抗生素方面发挥着关键作用。在属水平上，T6处理在高温期富集了更多如Planifilum、Thermobifida、Bacillus等嗜热且具有降解有机物能力的菌属。宏基因组学分析进一步显示，T6处理中与纤维素降解（如GH5、GH9）和木质素降解（如AA2）相关的功能基因丰度显著高于其他处理，说明其有机质降解能力更强。在氮循环基因方面，T6处理在堆肥冷却期拥有最高的nosZ基因（编码N2O还原酶）丰度，以及较高的nifH（固氮酶）和glnA（谷氨酰胺合成酶）基因丰度，同时(nirK+nirS)/nosZ比值较低。这从遗传功能上解释了T6处理为何能更有效地将N2O还原为N2，并促进氮素的生物固定和同化，从而减少氮素损失和温室气体排放。
综上所述，本研究得出结论：将堆肥自身产生的渗滤液与由湿生物质通过水热碳化制备的水热炭结合使用（T6处理），是调控IRAS鱼粪堆肥水分的最佳策略。这种组合不仅通过水热炭的物理持水作用和渗滤液的营养补充作用，创造并维持了有利于微生物生长的理想水分和养分环境，延长了高效降解期，促进了堆肥的腐熟和稳定；更重要的是，它通过水热炭调控微环境、吸附活性物质以及渗滤液引入功能微生物的协同作用，显著重塑了微生物群落结构，增强了其降解能力和氮素保存能力，从而在保证堆肥质量的同时，实现了温室气体和氨排放的有效削减。该研究不仅为IRAS鱼粪的高效、环保资源化处理提供了具体可行的技术方案和理论依据，也为其他低C/N有机废弃物的堆肥处理提供了有价值的参考。
